Новый метод измеряет трехмерное положение отдельных атомов
Впервые ученые измерили положения отдельных атомов в трехмерном пространстве на одном изображении, открыв новый способ наблюдения квантовых взаимодействий в материалах.
![Электроны в атоме](https://ab-news.ru/wp-content/uploads/2021/06/876hh78j567868.jpg)
Уже более десяти лет физики могут измерять расположение отдельных атомов с точностью менее одной тысячной миллиметра, используя специальный тип микроскопа. Однако до сих пор этот метод предоставлял только координаты X и Y. Информация о вертикальном положении атома, то есть о расстоянии между атомом и объективом микроскопа, отсутствует.
Новый подход, разработанный исследователями из Боннского университета в Германии и Бристольского университета в Великобритании, использует установку для квантовой газовой микроскопии, улавливающую атомы ультра-холодного газа внутри световых ячеек и измеряющую их характеристики с помощью так называемой квантовой газовой микроскопии.
Хотя ученые и раньше наносили на карту атомы в трех пространственных измерениях, такие методы требуют многократной экспозиции изображений и не имеют высокого разрешения квантовой газовой микроскопии. Теперь это можно сделать гораздо быстрее: все три измерения можно измерить одним щелчком мыши.
Деформируя свет, излучаемый атомами, исследователи теперь добавили вертикальное положение Z, которое описывает, насколько высоко находится атом.
![атомы под микроскопом](https://ab-news.ru/wp-content/uploads/2024/03/leadimagesize.jpg)
«Вместо типичных круглых пятнышек деформированный волновой фронт создает на камере форму гантели, которая вращается вокруг себя», — говорит физик Андреа Альберти из Боннского университета.
«Направление, в котором указывает эта гантель, зависит от расстояния, которое свет должен был пройти от атома до камеры».
Рассчитав это расстояние с помощью хитроумных математических вычислений, примененных к форме «гантели», можно измерить расположение атомов вдоль оси Z. Это новое понимание дает исследователям более точные инструменты для квантовых экспериментов, где необходимы точность и контроль.
«Таким образом, гантель действует как стрелка компаса, позволяя нам считывать координату Z в соответствии с ее ориентацией», — говорит физик Дитер Мешеде из Боннского университета.
![Изображение атома, полученное с помощью квантового газового микроскопа](https://ab-news.ru/wp-content/uploads/2024/03/leadimagesize-1.jpg)
Команда уверена, что разработанная ими методика может быть улучшена в будущем и адаптирована для работы в различных установках, выходящих за рамки квантовой газовой микроскопии.
Более того, с помощью такого подхода можно будет разрабатывать новые квантовые материалы, материалы, изготавливаемые по индивидуальному заказу и позволяющие достичь конкретных результатов. Мы еще многого не знаем о Вселенной в мельчайших масштабах, но это должно помочь.
«Например, мы могли бы исследовать, какие квантово-механические эффекты возникают, когда атомы расположены в определенном порядке», — говорят ученые. «Это позволит нам в некоторой степени моделировать свойства трехмерных материалов без необходимости их синтеза».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review A.